MV 및 LV 그리드의 초고조파 왜곡 — 문서화된 4가지 부정적인 효과 및 한계 격차
| Paper type | Comprehensive analytical review — University of Genova & University of Bologna, 이탈리아 |
| Frequency range addressed | 초고조파: 2 kHz – 150 kHz에서 (beyond conventional harmonic analysis) |
| Four documented effects | Power loss & heating · Dielectric aging · MV cable termination failure · PLC interference |
| Propagation finding | Strong correlation measured between substations 16 km apart — SH propagates over long distances in MV networks |
| MV/LV transformer transfer | Transfer ratio 0.5 에 3.0 — some SH components are amplified when crossing from MV to LV |
| Capacitor interaction | 근처 부하의 입력 커패시터는 SH 전류를 끌어당겨 전파를 줄이지만 커패시터 노후화를 가속화하고 조기 고장을 유발합니다. |
| 규제현황 | 위에는 계획이나 호환성 제한이 없습니다. 9 배전망 표준의 kHz - 활성 표준화 격차 |
| 출처 | 마리스코티 A, 밍고티 A. 센서 2024, 24(8), 2465. DOI: 10.3390/s24082465. 오픈 액세스 CC BY 4.0. |
01 컨텍스트 — 네트워크 스트레스의 새로운 영역
기존의 전력 품질 프레임워크는 최대 40차까지의 고조파 왜곡을 해결합니다. 2 kHz에서 50 Hz에서. 위에 2 kHz에서, 초고조파 범위 (2-150kHz) 역사적으로 문제가 없는 것으로 간주되었습니다.: 1980년대와 1990년대의 전력 전자 장치는 이 임계값보다 낮거나 약간 높은 주파수에서 전환되었습니다., 초고조파 범위에서의 방출은 적당했습니다.. 이 가정은 더 이상 유효하지 않습니다..
최신 전력 전자 장치 - PV 인버터, EV 충전기, 배터리 저장 변환기, and LED drivers — use Silicon Carbide (SiC) and Gallium Nitride (GaN) switching devices at frequencies of 20–100 kHz or higher. These devices place their primary switching energy directly in the supraharmonic range. The result is a rapid and widespread contamination of distribution networks with conducted emissions in a frequency band where no emission limits exist, no measurement standards are adequate, and the negative effects on network assets and connected equipment are only beginning to be systematically documented.
The 2024 paper by Mariscotti and Mingotti at the Universities of Genova and Bologna provides the most comprehensive published analysis of supraharmonic effects on MV and LV distribution networks — covering four distinct negative effect categories, propagation characteristics, transformer transfer behaviour, and the implications for standardisation. It is based on approximately 70 documented references spanning a decade of supraharmonic research.
Supraharmonics are not simply “faster harmonics” — their propagation and aggregation behaviour differs fundamentally from classical harmonics. Classical harmonics (이하 2 kHz에서) are synchronised to the mains frequency, propagate predictably through network impedances, and can be modelled by superposition. Supraharmonics have nearly random phase distribution between devices — they partially cancel when aggregated from multiple sources — but they also create network resonances that can amplify specific frequency components locally. Their time behaviour is intermittent and time-varying, 상대적으로 안정된 고전 고조파 스펙트럼과 달리. 이러한 차이에는 다양한 측정 접근 방식이 필요합니다., 다양한 모델링 도구, 궁극적으로 다른 한계 프레임워크.
02 문서화된 네 가지 부정적인 영향
이 연구에서는 MV 및 LV 네트워크 자산과 연결된 장비에 대한 초고조파 왜곡으로 인한 부정적인 영향의 네 가지 주요 범주를 식별하고 문서화합니다.:
전력 손실 및 발열
초고조파 주파수에서, 표피 효과는 전류를 도체 표면에 집중시킵니다., 유효 단면적 감소 및 저항 증가. 케이블, 변압기 권선, 초고조파 전류를 전달하는 중성 도체는 전력 주파수 부하만으로 예측할 수 있는 것보다 더 뜨거워집니다.. 상용 주파수 전류를 기반으로 한 표준 열 정격은 상당한 초고조파 성분이 있는 경우 비보존적입니다.. 케이블 절연체의 유전 손실도 주파수에 따라 증가합니다. I²R 가열 메커니즘은 절연 재료 자체 내의 유전 가열과 결합됩니다..
유전체 재료 노화
초고조파 주파수에서 전기장 강도가 높아지면 두 가지 메커니즘을 통해 유전체 열화가 가속화됩니다.: 부분방전 사건 (높은 전계 강도에서 더 가능성이 높음) 유전 손실 가열. 두 메커니즘 모두 더 높은 주파수에 의해 가속됩니다. 단위 시간당 응력 주기의 수는 주파수에 비례하여 증가합니다.. 노출된 유전 물질 50 kHz 초고조파 경험 1,000 에서보다 초당 몇 배 더 많은 전기적 스트레스 주기 50 Hz에서. 이는 케이블 절연의 노화를 극적으로 가속화합니다., 커패시터 유전체, 변압기 절연 - 특히 전계 강도가 이미 높은 MV 장비의 경우.
MV 케이블 종단 실패
MV 네트워크 자산의 초고조파 왜곡으로 인해 문서화된 가장 심각한 결과는 케이블 종단 오류입니다.. MV 케이블 종단은 기하학적으로 복잡합니다. 케이블의 제어된 전기장 기하학적 구조에서 공기 절연 연결로의 전환에는 응력 완화 구성 요소가 필요합니다. (스트레스 콘, 현장 그레이딩 재료) 전력 주파수 작동용으로 설계됨. 초고조파 전류는 원래 설계에서 설명하지 못한 이러한 종단에서 국부적인 가열과 높은 전계 응력을 생성합니다.. 유전 응력과 국지적 가열의 결합으로 인해 재생 에너지 보급률이 높은 MV 네트워크에서 조기 종료 오류가 발생했습니다..
PLC Interference
전력선 반송파 통신 - 스마트 미터링에 사용됨 (DLMS/COSEM), 수요반응, 그리드 제어, 및 EV 충전 관리 - 9~148kHz 주파수 범위에서 작동 (CENELEC 밴드 A~D). 이 주파수 범위는 초고조파 범위와 직접적으로 겹칩니다.. PV 인버터의 초고조파 방출, EV 충전기, LED 드라이버는 PLC 신호를 압도할 수 있습니다., 측정 오류 발생, 수요반응 시스템의 통신 실패, 원격 모니터링 기능 상실. The circular interference problem in EV charging — where the EV charger’s switching emissions disrupt the PLC communication intended to manage EV charging — is an immediately practical manifestation of this effect.
03 전파 — 예상보다 더 멀리
초고조파 문헌에서 가장 중요하고 실질적으로 중요한 발견 중 하나는 MV 네트워크에서 초고조파 방해의 장거리 전파입니다.. 두 개의 MV 변전소에서 초고조파 레벨 간에 강한 상관관계가 측정되었습니다. 16 km 간격 - 네트워크의 한 지점에 있는 초고조파 소스가 수 킬로미터 떨어진 변전소의 장비에 영향을 미칠 수 있음을 보여줍니다.. 이는 엔지니어가 고주파 전도 방출에 대해 직관적으로 가정하는 로컬 이웃 결합을 훨씬 뛰어넘는 것입니다..
스웨덴 MV 네트워크 측정
소규모 풍력 발전 단지를 포함하여 8개의 급전선을 갖춘 실제 스웨덴 MV 네트워크에서 현장 측정을 통해 전체 네트워크에 걸쳐 초고조파 전파가 확인되었습니다.. The wind farm’s inverter switching frequencies were detectable at all monitoring points across the eight feeders, with the amplitude varying according to the network impedance at each location. The study also found that larger MV networks have more resonant frequencies but lower resonance peak amplitudes — a network impedance characteristic that affects how supraharmonics propagate and where they are amplified.
Input capacitors of loads connected near the supraharmonic source act as low-impedance paths at high frequencies — they attract supraharmonic currents that would otherwise propagate further into the network. This localises supraharmonic energy near the source and reduces long-distance propagation, which appears beneficial for distant equipment. 비용은 노화가 가속화되고 커패시터 자체의 조기 고장으로 인해 발생합니다. 커패시터 자체는 그렇지 않으면 네트워크 전체에 분산되었을 에너지를 흡수하고 있습니다.. 이는 고전적인 숨겨진 실패 메커니즘입니다.: 멀리 있는 장비를 보호하려면 근처 장비의 성능 저하가 가속화되어야 합니다., 커패시터가 고장날 때까지 눈에 보이는 표시 없이.
04 변압기 전송 - 일부 구성 요소가 증폭됩니다.
MV/LV 배전 변압기를 통한 초고조파 전달은 단순한 감쇠 과정이 아닙니다.. 초고조파 주파수에서 변압기 전송 비율을 측정하면 다음과 같은 범위가 표시됩니다. 0.5 에 3.0 - 일부 주파수 구성요소의 경우, LV 측의 초고조파 진폭은 MV 측보다 최대 3배 더 높습니다.. 일부 초고조파 성분은 변압기 교차 시 증폭됩니다..
이 증폭은 변압기의 누설 인덕턴스 사이의 복잡한 임피던스 상호 작용으로 인해 발생합니다., 권선 용량, LV 측에 연결된 용량성 부하. 특정 주파수에서, 변압기와 연결된 LV 네트워크는 공진 주파수에서 전압을 증폭하는 공진 회로를 형성합니다.. 공진 주파수는 변압기 설계에 따라 다릅니다., 케이블 길이, 연결된 부하의 커패시턴스 - 모두 부하 구성 및 피더 레이아웃에 따라 다릅니다..
배전 변압기의 MV 측에서 초고조파 왜곡을 측정하고 이를 허용 가능한 수준 내에서 찾는 유틸리티 엔지니어(해당 수준이 존재하는 경우)는 고객에게 전달된 LV 공급도 허용 가능하다는 결론을 내릴 수 없습니다.. 특정 주파수 성분의 경우, LV 왜곡은 MV 왜곡보다 상당히 높을 수 있습니다.. 이는 MV 측 모니터링만으로는 고객 측 초고조파 노출을 평가하는 데 충분하지 않음을 의미합니다.. LV 연결 장비에 대한 초고조파 효과가 우려되는 경우 LV 측 측정이 필수적입니다..
05 한계 격차 - 위의 규칙 없음 9 kHz에서
Mariscotti와 Mingotti가 확인한 가장 중요한 규제 격차는 극명합니다.: 위의 초고조파에 대한 배전 네트워크 표준에는 현재 계획 수준이나 호환성 제한이 없습니다. 9 kHz에서. CENELEC EN 50160 기준, 공공 LV 네트워크의 전압 특성을 정의합니다., 주파수 편차를 해결합니다., 전압 크기, 25차까지의 고조파, 및 깜박임 — 그러나 초고조파 범위에 대한 제한은 없습니다.. IEC 61000-2-2 LV 네트워크에 대한 호환성 수준을 최대로 해결합니다. 2 kHz에서. 위에 2 kHz에서, 유일한 관련 제한은 CISPR 표준에 있습니다. (~ 위에 150 kHz에서, EMC를 위한) 그리고 좁은 CENELEC 신호 주파수 대역 - 전체를 떠나 9 kHz에서로 150 배전망 PQ 관점에서 규제되지 않은 kHz 창.
Mariscotti와 Mingotti는 문서화된 효과 임계값을 기반으로 초고조파 왜곡에 대한 표시 한계를 도출합니다. 이는 장비 감도 데이터에서 고조파 한계를 도출하는 데 적용된 것과 동일한 물리적 추론을 사용합니다.. 파생된 한계는 이전에 문헌에 존재하지 않았던 정량적 프레임워크를 제공합니다.. 이러한 제한은 IEC SC 77A WG9의 지속적인 표준화 프로세스에 제출되었습니다., IEC를 적극적으로 개정하고 있는 61000-4-30 초고조파 측정을 해결하기 위해. 그러나, 문서화된 효과 사이의 격차, 파생된 한계, 시행 가능한 표준은 여전히 광범위하며, 당분간은, 네트워크 사업자는 장비 제조업체에 초고조파 방출을 제어하도록 요구하는 규제 근거가 없습니다..
제한이 없으면 배전망 엔지니어에게 두 가지 실질적인 결과가 발생합니다.. 처음으로, 초고조파 교란이 식별될 때 완화를 요구할 객관적인 근거가 없으므로 장치가 소스인 장비 소유자에게 조치를 강요하기가 어렵습니다.. 초, 장비가 조기에 고장나는 경우 - 커패시터, 케이블 종단, PLC 계량 시스템 - 기본 측정이 필요하지 않기 때문에 초고조파 교란에 대한 연결을 설정하기가 어렵습니다., 경보 수준이 정의되지 않았습니다., 그리고 모니터링이 전혀 이루어지지 않았습니다.
06 전력 품질 관점
이 사례 연구는 CS04와 함께 제공됩니다. (PV 인버터 초고조파) 및 CS07 (EV 충전기 초고조파) — 해당 사례 연구에 문서화된 배출원 수준 배출의 네트워크 수준 결과를 다룹니다.. CS04 및 CS07은 개별 장치가 방출하는 특성을 나타냅니다.. CS08은 배출량이 대규모로 존재할 때 네트워크와 자산에 어떤 일이 발생하는지 문서화합니다..
유틸리티 엔지니어링 관점에서, MV 케이블 종단 오류 발견은 가장 즉각적으로 조치가 가능합니다.. MV 네트워크의 케이블 종단 오류는 비용이 많이 듭니다. 교체하려면 영향을 받는 케이블 섹션을 교체해야 합니다., 합동 승무원을 동원하다, 고객 중단 관리. 동일한 MV 급전선에 연결된 재생 에너지 변환기의 초고조파 왜곡이 종단 노후화 가속화에 기여하는 경우, 유틸리티는 고객 측 장비의 동작으로 인해 발생하는 유지 관리 및 자본 비용을 부담합니다., 해당 비용을 귀속시키거나 배출원이 배출을 완화하도록 요구하는 규제 메커니즘이 없습니다..
측정하지 않는 것은 관리할 수 없다. 초고조파 효과를 우려하는 배전망 운영자의 실질적인 첫 번째 단계는 초고조파 가능 모니터링(샘플링 속도가 위의 계측기)을 배포하는 것입니다. 300 kHz에서, 전체 2~150kHz 범위를 캡처할 수 있음. 초고조파 기능을 갖춘 클래스 A PQ 모니터의 가격은 지난 5년 동안 크게 하락했습니다., 그리고 EU가 자금을 지원하는 ADMIT 프로젝트 (왜곡된 기기 및 변압기의 정확한 측정) MV 레벨 초고조파 측정에 필요한 계기용 변압기 정확도 표준을 개발 중입니다.. MV 피더에 대한 재생 가능 보급률이 높은 유틸리티의 경우 - 풍력, PV, 배터리 저장 - 이제 초고조파 기준선을 설정하는 것이 나중에 근본 원인 분석을 지원하는 측정 기록 없이 조기 MV 인프라 오류를 설명하는 것보다 훨씬 저렴합니다..
참조
- 마리스코티 A, 밍고티 A. “MV 및 LV AC 그리드에서 초고조파 왜곡의 효과.” 센서, 24(8), 2465, 2024. DOI: 10.3390/s24082465. 오픈 액세스 CC BY 4.0.
- 뢴베르크 SK, 월버그 M, 더 볼 MHJ. “초고조파 공진 전파를 위한 고압 네트워크 평가.” 에너지, 14(4), 1093, 2021. DOI: 10.3390/en14041093.
- IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. 전자기 호환성 - 부품 4-30: 전력 품질 측정 방법. IEC, 제네바. (초고조파를 다루기 위해 SC 77A WG9에 의해 개정 중입니다.)
- IN 50160:2010+A3:2019. 공공 전력망에서 공급되는 전기의 전압 특성. CENELEC, 브뤼셀.
- IEC 61000-2-2:2002+AMD1:2017. 전자기 호환성 - LV 공급 시스템의 호환성 수준, 0-2kHz. IEC, 제네바.
- 프로젝트 승인. 왜곡된 기기 및 변압기의 정확한 측정. EU 자금 지원 연구 프로젝트. 사용 가능: 인정-project.eu
마리스코티 A, 밍고티 A. “MV 및 LV AC 그리드에서 초고조파 왜곡의 효과.” 센서 (MDPI), 비행. 24, 아니. 8, 피. 2465, 4월 2024.
DOI: 10.3390/s24082465 · PMC 전문 → — 오픈 액세스 CC BY 4.0.
본 사례 연구는 교육 목적으로 요약 및 해설 형식으로 제공됩니다.. SVG 다이어그램 및 PQ Perspective 섹션 (섹션 6) Denis Ruest의 원본 IPQDF 편집 콘텐츠입니다., 석사. (적용된), 물리 공학과. (퇴사.). IPQDF는 원본 연구의 저자임을 주장하지 않습니다..